一、引言

　　齒輪傳動件在每一步加工過程中，都會不同程度地引入殘余應(yīng)力或改變應(yīng)力狀態(tài)。齒輪傳動件關(guān)鍵部位的殘余應(yīng)力的大小和狀態(tài)，直接影響該零件的服務(wù)壽命和工作性能的發(fā)揮。隨著用戶對汽車性能、質(zhì)量和可靠性的要求越來越高，汽車及零部件制造企業(yè)必須準(zhǔn)確地對齒輪傳動件的殘余應(yīng)力進(jìn)行表征、研究其產(chǎn)生機(jī)理、優(yōu)化產(chǎn)品設(shè)計(jì)和制造工藝，從而減少或消除有害殘余應(yīng)力，在制造高質(zhì)量零件的同時(shí)，降低生產(chǎn)成本。

　　殘余應(yīng)力導(dǎo)致齒輪傳動件早期失效的原因大概可以分為以下幾個(gè)：(1)應(yīng)力集中和應(yīng)力過載 - 零件工作載荷超過最大允許應(yīng)力; (2)應(yīng)力腐蝕 - 在腐蝕環(huán)境下變形或產(chǎn)生裂紋; (3)機(jī)械或熱疲勞 - 在周期載荷下工作; (4)不當(dāng)?shù)臋C(jī)加工 - 噴丸、磨削、銑削加工等; (5)不當(dāng)?shù)臒崽幚?- 應(yīng)力釋放、感應(yīng)淬火、工作溫度、熱應(yīng)變等。

　　殘余應(yīng)力檢測技術(shù)根據(jù)是否損壞被檢對象可以分為有損檢測和無損檢測兩大類，有損檢測也叫機(jī)械法，它包括盲孔法、環(huán)芯法和剖分法。無損檢測包括X射線衍射法、超聲法和磁性法等。本文將對無損檢測方法中技術(shù)最成熟、應(yīng)用最廣泛的X射線衍射法殘余應(yīng)力檢測技術(shù)進(jìn)行重點(diǎn)介紹。

　　二、原理

        殘余應(yīng)力是指由于零件材料在機(jī)加工和熱處理過程中，造成內(nèi)部不均勻塑性變形使材料內(nèi)部存在并且保持平衡的彈性應(yīng)力，也稱內(nèi)應(yīng)力。晶體材料中拉伸和壓縮殘余應(yīng)力的存在，將導(dǎo)致晶面間距d的增大和縮小。在特定的X光線照射下，晶面間距d的增大和縮小將導(dǎo)致材料的衍射峰位偏移，這些偏移可通過探測器檢測出來。X射線衍射殘余應(yīng)力測定技術(shù)是根據(jù)布拉格方程和彈性力學(xué)理論，用X射線方法無損地檢測出零件材料因殘余應(yīng)力存在導(dǎo)致的衍射峰位偏移，計(jì)算出晶面間距d的變化值和進(jìn)而計(jì)算出殘余應(yīng)力值的一門專業(yè)技術(shù)(圖1)。

　　圖中使用雙探測器測定衍射晶面的布拉格角得到衍射圓錐(德拜環(huán))

　　布拉格方程：

　　對于是X射線波長λ整數(shù)倍的衍射晶面，其衍射角2θ可通過實(shí)驗(yàn)方法測得，晶面間距d值可通過布拉格方程計(jì)算得出。

　　測定無應(yīng)力狀態(tài)(d0)和有應(yīng)力狀態(tài)(d)時(shí)的d值，可通過以下關(guān)系式計(jì)算應(yīng)變：

       標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)力方程 - 根據(jù)彈性力學(xué)理論，在宏觀各向同性晶體材料上角度Φ和ψ(見)方向的應(yīng)變可以用如下方程表述：

       圖3.X射線衍射應(yīng)力測定的正交坐標(biāo)系，圖中:S1，S2樣本表面坐標(biāo)軸;S1由操作者定義

　　S3 垂直于樣本表面的坐標(biāo)軸

　　L1，L2，L3實(shí)驗(yàn)室坐標(biāo)系統(tǒng);L3 垂直于晶格衍射表面而且是入射光線和衍射光線的二等分線。

　　φ 樣品表面一固定方向和該表面上垂直于衍射晶面投射的

　　ψ 樣品的法線和衍射晶面法線間的夾

　　Sφ 壓應(yīng)力和切應(yīng)力的測量方向

      公式中，應(yīng)力分量σФ和τФ為方向SФ上正應(yīng)力和剪切應(yīng)力(見圖3)：

      其中方程(3)、(3a)、(3b)中的符號表示：

　　有關(guān)X射線衍射殘余應(yīng)力測定的詳細(xì)理論請參閱附錄相關(guān)文獻(xiàn)。

　　三、應(yīng)用實(shí)例

　　3.1曲軸

        在制造過程中通常采用拋光或輥軋曲軸以引入壓應(yīng)力，來抑制裂紋產(chǎn)生及擴(kuò)展，延長曲軸使用壽命。因?yàn)榧庸r(shí)產(chǎn)生的應(yīng)力梯度垂直于輥軋表面，因此通常用深度來表征輥軋加工的效果。由于制造商經(jīng)常改變軸頸角位置的輥軋壓力，需要在曲軸圓周不同角度上采集殘余應(yīng)力沿深度方向分布信息 (見圖4)。為了區(qū)分輥軋壓力和熱處理等冷加工工藝引起的內(nèi)應(yīng)力,必須在產(chǎn)品加工的不同階段，包括曲軸加工最后一道校直工藝，進(jìn)行深度方向的殘余應(yīng)力測定。由于曲軸軸頸的形狀和位置等限制條件，對曲軸上這些容易失效的關(guān)鍵位置等進(jìn)行殘余應(yīng)力測定，X射線衍射法通常是唯一可行的方法。

       應(yīng)力集中系數(shù)(SCF’s)用于工作中外加載荷的估算，估算方法有計(jì)算、建?；蛞C等。對于給定形狀的曲軸部件，X射線衍射技術(shù)已被用來實(shí)驗(yàn)測定應(yīng)力集中系數(shù)(見圖5)。試驗(yàn)結(jié)果(1.83 ± 0.07)在誤差范圍內(nèi)與理論值一致.

        主軸承和曲柄頸表面通常需要精密研磨來達(dá)到設(shè)計(jì)的尺寸精度和表面光潔度。研磨產(chǎn)生的殘余拉應(yīng)力對研磨加工后的軸頸的使用壽命有很大的影響，可通過X射線衍射法對其進(jìn)行應(yīng)力測定。研磨產(chǎn)生的最大拉應(yīng)力通常位于研磨面的近表層。為了表征研磨產(chǎn)生的殘余應(yīng)力，通常需要在次表層沿深度方向進(jìn)行應(yīng)力分布測定(見圖7)。

　　測試曲軸頸周向應(yīng)力時(shí)，通常在離軸心線最遠(yuǎn)處不需要切割曲軸即可測試。測試軸向應(yīng)力時(shí)，有時(shí)需要在遮擋X射線入射線或衍射線位置進(jìn)行切割。作為驗(yàn)證，可在測試方向上貼上小的應(yīng)變片用于評估切除時(shí)的應(yīng)力變化。

　　在曲軸不同制造階段測定次表面的應(yīng)力,可用來評估每一步制造工藝對表面的影響。研究曲軸殘余應(yīng)力產(chǎn)生機(jī)理，可用于優(yōu)化產(chǎn)品設(shè)計(jì)和制造工藝，在制造高質(zhì)量零部件的同時(shí)，降低生產(chǎn)成本。

       3.2齒輪

　　在機(jī)加工、滾齒、剃齒、珩磨、或熱處理工藝后，齒輪表面及次表面的殘余應(yīng)力差別可能很大，必須對殘余應(yīng)力進(jìn)行表征以評價(jià)加工工藝和這些工藝所產(chǎn)生的應(yīng)力梯度及其影響。

       圖8顯示在不同噴丸強(qiáng)度下同一組齒輪次表面的應(yīng)力梯度，未噴丸樣品的表面壓應(yīng)力較低，已噴丸零件表面壓應(yīng)力較高，這些樣品通常會通過進(jìn)一步的疲勞試驗(yàn)來優(yōu)化工藝。這些信息也可用來建立質(zhì)量控制及質(zhì)量保證基準(zhǔn)。在加工工藝得到充分控制的情況下，表面應(yīng)力值和次表面應(yīng)力分布可用來評估噴丸效果。應(yīng)力測定可以定期進(jìn)行(每小時(shí)、日、周)。

       在不同波長和材料的情況下，X射線的穿透深度為10-30微米，所以X射線衍射法只能測定零件表面的殘余應(yīng)力。為了測定次表面殘余應(yīng)力，需要采用電解拋光方法去除被測零件的表面材料(剝層)。齒輪根部需要用專門設(shè)計(jì)的電解拋光頭(如圖9)來剝層。剝層后的應(yīng)力松弛和應(yīng)力梯度變化在應(yīng)力-深度分布圖上已進(jìn)行過矯正。

        測定輪齒節(jié)徑上的次表面殘余應(yīng)力時(shí)，通常需要切除相臨的齒，以方便測量頭接近被測點(diǎn)位置。這種切除要避免在被測點(diǎn)上施加應(yīng)力，作為驗(yàn)證，可在測試方向上貼上小的應(yīng)變片用于評估切除時(shí)的應(yīng)力變化。隨后可在齒根部無阻礙地測量平行于齒面方向的殘余應(yīng)力。如果節(jié)徑上被測應(yīng)力方向垂直于齒面，可在齒根徑向方向完全切除整個(gè)齒，同樣需要用應(yīng)變片檢查切除時(shí)被測點(diǎn)的應(yīng)力釋放情況。 在測量齒根處平行于齒面方向的殘余應(yīng)力時(shí)，通常不需要切除齒尖。有些情況下用側(cè)傾法測量垂直于齒面方向的殘余應(yīng)力時(shí)，也不需要切除齒尖，只是測量結(jié)果沒有同傾法精確。使用限制主要取決于兩個(gè)相鄰的齒尖到齒根的角度(見圖10)

　　中國標(biāo)準(zhǔn)GB/T 7704和國際標(biāo)準(zhǔn)SAE J784a、ASTM E915-10和EN 15305-2008要求在測量殘余應(yīng)力采用多次曝光技術(shù)(MET)，儀器設(shè)備要滿足這些標(biāo)準(zhǔn)并按照這些標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行校準(zhǔn)。

       3.3彈簧

        某汽車廠某型號汽車上的一個(gè)鋼制彈簧在使用中突然失效，當(dāng)時(shí)認(rèn)為這些彈簧的制造工藝“沒有變化”，然而故障率突然升高。經(jīng)過疲勞試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)場故障率升高前的彈簧經(jīng)過50萬次循環(huán)測試才失效，然而現(xiàn)場故障率升高后的彈簧只經(jīng)過5萬次循環(huán)就失效了。據(jù)調(diào)查在故障率增加前后的噴丸時(shí)間是12分鐘，但噴丸覆蓋率遠(yuǎn)小于100%。工程師隨后把噴丸時(shí)間增加到60分鐘，在三種情況下對彈簧的殘余應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行評估：1) 故障率提高前的彈簧-噴丸12分鐘，2) 故障率提高后的彈簧-噴丸12分鐘，3) 噴丸60分鐘

        圖11的殘余應(yīng)力測定結(jié)果顯示，故障率升高前后經(jīng)噴丸的彈簧的壓應(yīng)力在深度和大小上有顯著變化，這可能與材料本身或制造工藝有關(guān)。噴丸時(shí)間從12分鐘增加到60分鐘后彈簧的壓應(yīng)力有很大的提高。事實(shí)上，經(jīng)60分鐘噴丸后的彈簧在疲勞試驗(yàn)中遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過50萬次循環(huán)。在本例中：a)殘余應(yīng)力檢測驗(yàn)證了不適當(dāng)?shù)膰娡韫に噷?dǎo)致壓應(yīng)力偏小;b)殘余應(yīng)力檢測還確認(rèn)了工藝改進(jìn)后的效果，增加噴丸時(shí)間可顯著增加噴丸覆蓋率和殘余壓應(yīng)力水平。這個(gè)例子說明通過殘余應(yīng)力檢測了解并確認(rèn)失效原因后，使用者可以有信心地通過一些措施對工藝進(jìn)行改進(jìn)、再驗(yàn)證和監(jiān)控。汽車和零部件制造廠和用戶可以根據(jù)類似的案例建立殘余應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)、進(jìn)行殘余應(yīng)力檢查并在相關(guān)技術(shù)文件中(如零件圖紙上)注明對殘余應(yīng)力的要求。

　　四、結(jié)論

　　即便采用先進(jìn)的制造工藝，齒輪傳動件中的殘余應(yīng)力仍然是抗疲勞強(qiáng)度的決定性因素。殘余應(yīng)力在降低制造成本、增強(qiáng)機(jī)械零件疲勞壽命上可以發(fā)揮重要的作用。殘余壓應(yīng)力的產(chǎn)生跟包括熱處理工藝(溫度、冷卻速度)、噴丸工藝(覆蓋率、強(qiáng)度、彈丸尺寸和種類)和輥軋壓力等密切相關(guān)。以上的例子表明,所采用的制造工藝并非總是得到良好的控制。很多情況下，需要在制造過程中和制造的最后階段采用無損檢測技術(shù)檢測齒輪傳動件的殘余應(yīng)力,使用X射線衍射法測定殘余應(yīng)力就成為汽車及零部件制造廠的不二選擇。

　　參考文獻(xiàn)：

　　1. J Pineault, M Brauss & et, Residual Stress Measurements in Automotive Components via X-Ray Diffraction, SAE World Congress, Feb. 2005

　　2. 姜傳海，X射線內(nèi)應(yīng)力測定，第15 屆全國殘余應(yīng)力學(xué)術(shù)會議，2009年10月

　　3. 歐盟X射線衍射殘余應(yīng)力測定標(biāo)準(zhǔn)EN 15305-2008, Non-destructive Testing - Test Method for Residual Stress analysis by X-ray Diffraction